VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF BIOMEDICAL ENGINEERING AKUSTICKÝ GENERÁTOR PRO BUZENÍ EVOKOVANÝCH POTENCIÁLŮ ACOUSTIC GENERATOR FOR EVOKED POTENTIALS STIMULATION DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. Helena Škutková Doc. Ing. Milan Chmelař, CSc. BRNO, 2009
LICENČNÍ SMLOUVA POSKYTOVANÁ K VÝKONU PRÁVA UŽÍT ŠKOLNÍ DÍLO uzavřená mezi smluvními stranami: 1. Pan/paní Jméno a příjmení: Helena Škutková Bytem: Nový Svět 499, Havířov - Suchá, 735 64 Narozen/a (datum a místo): 12.července 1985 v Havířově (dále jen autor ) a 2. Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií se sídlem Údolní 53, Brno, 602 00 jejímž jménem jedná na základě písemného pověření děkanem fakulty: prof. Ing. Jiří Jan,CSc, předseda rady oboru Biomedicínské a ekologické inženýrství (dále jen nabyvatel ) Čl. 1 Specifikace školního díla 1. Předmětem této smlouvy je vysokoškolská kvalifikační práce (VŠKP): disertační práce diplomová práce bakalářská práce jiná práce, jejíž druh je specifikován jako... (dále jen VŠKP nebo dílo) Název VŠKP: Vedoucí/ školitel VŠKP: Ústav: Datum obhajoby VŠKP: Akustický generátor pro buzení evokovaných potenciálů Doc. Ing. Milan Chmelař, CSc. Ústav biomedicínského inženýrství VŠKP odevzdal autor nabyvateli * : v tištěné formě počet exemplářů: 2 v elektronické formě počet exemplářů: 2 2. Autor prohlašuje, že vytvořil samostatnou vlastní tvůrčí činností dílo shora popsané a specifikované. Autor dále prohlašuje, že při zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem a předpisy souvisejícími a že je dílo dílem původním. 3. Dílo je chráněno jako dílo dle autorského zákona v platném znění. 4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická.
Článek 2 Udělení licenčního oprávnění 1. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávnění (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýdělečně užít, archivovat a zpřístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným účelům včetně pořizovaní výpisů, opisů a rozmnoženin. 2. Licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu. 3. Autor souhlasí se zveřejněním díla v databázi přístupné v mezinárodní síti ihned po uzavření této smlouvy 1 rok po uzavření této smlouvy 3 roky po uzavření této smlouvy 5 let po uzavření této smlouvy 10 let po uzavření této smlouvy (z důvodu utajení v něm obsažených informací) 4. Nevýdělečné zveřejňování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením 47b zákona č. 111/ 1998 Sb., v platném znění, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k němu povinen a oprávněn ze zákona. Článek 3 Závěrečná ustanovení 1. Smlouva je sepsána ve třech vyhotoveních s platností originálu, přičemž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP. 2. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se řídí autorským zákonem, občanským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném znění a popř. dalšími právními předpisy. 3. Licenční smlouva byla uzavřena na základě svobodné a pravé vůle smluvních stran, s plným porozuměním jejímu textu i důsledkům, nikoliv v tísni a za nápadně nevýhodných podmínek. 4. Licenční smlouva nabývá platnosti a účinnosti dnem jejího podpisu oběma smluvními stranami. V Brně dne: 29. května 2009.. Nabyvatel Autor
Abstrakt Klíčová slova Evokované potenciály jsou elektrickou odpovědí mozku na vnější stimul. Jsou důležitou diagnostickou neobrazovou metodou v neurologii. Pro jejich vybuzení se využívá různých druhů stimulace, nejčastěji: zrakové, sluchové, somatosenzorické, čichové a chuťové. Evokované potenciály objektivně měří smyslové vnímání. V této práci se zaměřuji převážně na zvukové evokované potenciály a návrhem akustického generátoru pro jejich stimulaci. Zvukové evokované potenciály jsou nejčastěji využívány pro objektivní měření sluchu, ale mají i další využití. Předně je aplikace zaměřena na zdravotnictví. Cílem této diplomové práce je skloubit stanovené lékařské požadavky s dostupnými technickými prostředky. audiometrie, elektroencefalografie, evokované odpovědi, evokované potenciály, lidský sluch, maskování šumem, mozková aktivita, sluchová stimulace, šum, tón, zvuk Abstract Keywords Evoked potentials are electric brain response to external stimulus. They are important diagnostic no visual method in neurology. For their excitation use of different of kinds stimulation, most often: visual, auditory, somatosenzory, olfactory and gustatory. Evoked potentials are objective method for measurement sense perception. This master s thesis is specialized to auditory evoked potentials and design acoustic generator for their stimulation. Auditory evoked potentials are primary used for objective audiometry, but they have another usage. In the first place, application is specialized on health sector. The aim of this master s thesis is compact specified medical requirements with available technical resources. audiometry, electroencephalography, evoked responses, evoked potentials, human hearing, noise masking, brain aktivity, auditory stimulation, noise, tone, sound Bibliografická citace mé práce: ŠKUTKOVÁ, H. Akustický generátor pro buzení evokovaných potenciálů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2009. 76 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Milan Chmelař, CSc.
Prohlášení Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma Akustický generátor pro buzení evokovaných potenciálů jsem vypracovala samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušila autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhla nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne 29. května 2009... podpis autora Poděkování Děkuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Milanu Chmelařovi, CSc. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé diplomové práce. V Brně dne 29. května 2009... podpis autora
Obsah Úvod... 9 1 Elektrická aktivita mozku... 10 1.1 Historický vývoj... 10 1.2 Signály vytvářené mozkem... 10 1.2.1 Spontánní mozková aktivita... 11 1.2.2 Evokované potenciály... 12 2 Sluchové evokované potenciály, základy akustiky a audiometrie... 16 2.1 Rozdělení sluchových evokovaných potenciálů... 16 2.2 Systém stimulace AEP... 16 2.3 Akustické principy a lidský sluch... 19 2.4 Pojmy z audiometrie... 21 2.4.1 Aplikace maskování šumem při vyšetření... 22 3 Návrh akustického generátoru... 23 3.1 Blokové schéma... 23 3.1.1 Princip činnosti... 24 3.2 Rozbor funkce jednotlivých bloků... 24 3.2.1 Generátory sinusového průběhu... 24 3.2.2 Tvorba akustických podnětů... 27 3.2.2.1 Nastavení délky akustických podnětů... 27 3.2.2.2 Klíčování sinusového signálu... 31 3.2.2.3 Série dvou střídajících se akustických podnětů... 33 3.2.3 Šumový generátor... 35 3.2.4 Omezení dynamiky signálu... 37 3.2.4.1 Elektroakustické parametry... 38 3.2.4.2 Diodový omezovač s operačním zesilovačem... 41 3.2.5 Přepínání kanálů... 44 3.2.6 Nízkofrekvenční koncový zesilovač... 45 4 Komunikace s počítačem... 49 4.1 Připojení akustického generátoru... 49
4.1.1 Sériový port rozhraní RS-232... 49 4.1.2 USB rozhraní... 51 4.1.3 FT232BM převodník USB/UART... 52 4.2 Řízení periody akustických podnětů... 53 5 Realizace a testování... 55 5.1 Napájení aplikace... 55 5.1.1 DC/DC měnič 5 V/12 V... 55 5.1.2 Nesymetrické napájeni operačních zesilovačů... 58 5.2 Schéma zapojení... 59 5.2.1 Kapacitní vazba obvodů... 59 5.2.2 Odstranění rušení a šumu... 61 5.2.3 Připojení sluchátek... 62 5.3 Výsledky testování... 63 Závěr... 65 Seznam použitých zdrojů... 66 Seznam zkratek... 69 Seznam obrázků:... 70 Seznam tabulek... 71 Seznam příloh... 71
Úvod Mozek je řídícím orgánem nervové soustavy. Nejen že ovládá tělesné funkce jako je činnost srdce, trávení, schopnost pohybu, řeči, ale realizuje i samotné myšlení či vnímání emocí. Přestože jsme v posledních desetiletích značně postoupili ve studiu mozkové činnosti, je mozek stále jedna z nejméně prozkoumaných částí lidského těla. Největším přínosem pro diagnostiku mozku a nervové soustavy vůbec byl jistě rozmach využití zobrazovacích vyšetřovacích metod ve zdravotnictví. Pomocí magnetické rezonance a dalších tomografických zobrazovacích metod jsme dnes schopni získat obraz mozku z oblastí, které nebyly dříve jinak než chirurgicky dostupné. Navíc s rostoucím výkonem v odvětví výpočetní techniky a vývojem pokročilých způsobů analýzy obrazových signálů dnes můžeme zobrazovat činnost mozku i v reálném čase. Mohlo by se tedy zdát, že dříve hojně užívané vyšetření záznamem elektrické aktivity mozku (EEG), je již dnes zbytečné. Opak je ale pravdou. Můžeme bez nadsázky říci, že záznam EEG u mozku je i dnes stejně nenahraditelný jako například EKG vyšetření u srdce. Stále zůstává nedořešen jeden z nejdůležitějších aspektů lidské neurofyziologie - hledání objektivních metod k vyhodnocení smyslového vnímání (zrakové, sluchové, somatosenzorické, čichové a chuťové), bez potřeby subjektivního (nepřesného) hodnocení zkoumané osoby. Snímání evokovaných potenciálů, tedy elektroencefalografických odpovědí na smyslové podněty, registrovaných z mozku či povrchu hlavy představují objektivní biofyzikální diagnostickou metodu. Vyšetření je tedy vhodné použít při podezření na postižení zrakových, sluchových nebo somatosenzorických nervových drah. Evokované potenciály jsou využívány k diagnostice časných stádií onemocnění nervové soustavy, které by ani magnetická rezonance nemusela bezpečně rozeznat. Vyšetření samo o sobě nedokáže stanovit diagnózu. Jeho výsledek však společně se závěrem dalších vyšetření a testů přispívá k odhalení charakteru a příčiny onemocnění nervového systému. Měření evokovaných potenciálů začíná vyvoláním senzorické odpovědi vhodným typem stimulace. Podle typu měřeného smyslového vnímání můžeme tedy rozlišovat generátory různých typů stimulace např.: zvukové, světelné, elektrické či chemické. V mé práci se zabývám prvním z uvedených generátorů pro stimulaci evokovaných potenciálů, a sice akustickým generátorem evokovaných potenciálů a jeho návrhem. Protože se jedná o přípravek určený pro zdravotnictví je potřeba dodržet přísnější požadavky, než jsou stanoveny u běžné spotřební elektroniky. K takovému uzpůsobení techniky pro lékařské účely je ale třeba nejprve představit důkladněji danou problematiku i ze zdravotnické stránky. Stejně důležité je pro aplikaci těchto informací pochopit i základy akustiky a nízkofrekvenční techniky. Tím se tedy snažím říci, že celá práce má být sice primárně technickým návrhem elektronického obvodu, ale pro praktickou aplikaci jsou v průběhu zohledněny i netechnické obory týkající se tématu. 9
1 Elektrická aktivita mozku Měření evokovaných potenciálů jako výsledek vnější senzorické stimulace je jedním z mnoha možných vyšetření mozkové aktivity. Tato kapitola je teoretickým úvodem do problematiky snímání signálů vysílaných mozkem. Pokusila jsem se zde laicky shrnout terminologii, vývoj a využití tohoto lékařského oboru. Přestože samotné měření evokovaných potenciálů není součástí této práce, je důležité pochopit jeho základní principy před samotným návrhem zvukového generátoru sloužícího k jejich stimulaci. 1.1 Historický vývoj První pokusy o snímání elektrické aktivity mozku jsou datovány asi od poloviny 19. století. V té době bohužel ještě nebylo vyvinuto dostatečně citlivé registrační zařízení pro rozsáhlejší neurofyziologický výzkum. Teprve počátkem 20. století byly sestrojeny citlivé galvanometry, které v roce 1924 využil jenský psychiatr Hans Berger pro zachycení prvního záznamu bioelektrické aktivity mozku u člověka. V dalších letech byly pomocí zdokonalených dvoukanálových galvanometrů a s využitím prvních elektronkových zesilovačů zpřesněny a podrobněji popsány elektrické signály generované mozkem. Opravdový průlom v elektroencefalografii byl zaznamenán až v druhé polovině 20. století, s rozvojem tranzistorů a integrovaných obvodů. O počátky výzkumu evokovaných potenciálů se roku 1947 zasloužil G. Dawson. Ten zaznamenal klasickým elektroencefalografem odpověď na nervový stimul u pacienta s epilepsií. Skutečnost, že podobné odpovědi nebylo možné vidět na EEG záznamu u zdravých jedinců, si vysvětlil patologicky zvýšenou amplitudou u jedinců s epilepsií. Tento názor si potvrdil tím, že provedl podobný záznam EEG u čtrnácti zdravých jedinců. Pomocí následné sumace a průměrování zjistil podobné odpovědi na nervový stimul, jako u pacienta s epilepsií, i pro 12 zdravých pokusných osob.[1][3] 1.2 Signály vytvářené mozkem Elektrická aktivita mozku vykazuje rytmickou aktivitu o různých frekvencích a amplitudách. Za klinicky využitelné frekvenční pásmo se považují frekvence od 0,1Hz do 100Hz. Elektrickou aktivitu mozku můžeme zaznamenávat jako klasické vyšetření EEG, kdy měříme spontánní aktivitu mozku vyvolanou různými fyziologickými stavy, jako jsou spánek, bdění, volní pohybová aktivita, příjem a zpracování senzorické informace a změna vnitřního prostředí. Jinou možností je zaznamenávat odpovědi na vnější smyslové krátkodobé podněty (např. zrakové a sluchové), které nazýváme evokované potenciály (dále ep). 10
1.2.1 Spontánní mozková aktivita Jednotlivé rytmy EEG se liší: 1. lokalizací na povrchu lebky, 2. amplitudou, 3. vztahem k definovaným fyziologickým stavům. Přehled jednotlivých rytmů EEG a jejich vlastností ukazuje Tabulka 1.1.[21] rytmus frekvence (Hz) amplituda lokalizace stav delta 0.3-3.5 100- (V) 150 difúzní spánek théta 4.0-7.0 7 0-100 frontálně, centrálně usínání alfa 8.0-13.0 20-50 okcipitálně relaxované bdění beta 14.0-30.0 5-10 frontálně duševní aktivita gama 33.0 40.0 3-5 centrálně, okcipitálně volní pohyb, myšlení mí 8.0-10.0 20-50 centrálně zvýšená pozornost Tabulka 1.1: Spontánní mozková aktivita Základním rytmem EEG u zdravého člověka ve stavu relaxovaného bdění je rytmus alfa. Jeho frekvence je obvykle kolem 8-12 Hz. Maximální výskyt alfa aktivity je v okcipitálních oblastech kůry, ale alfa aktivitu nižší amplitudy je možné pozorovat i v parietálních a centrálních svodech. Uvádí se, že od tzv. senzomotorického rytmu, který má v podstatě shodnou frekvenci a vyskytuje se v centrálních svodech, se liší tím, že alfa rytmus se tlumí především zrakovou stimulací, zatímco senzomotorický (mí rytmus) se tlumí volním pohybem. Nastává desynchronizace a rytmus přechází nejčastěji v rytmus beta. Beta rytmus je nejvýraznější v precentrální motorické oblasti. Vlny delta a théta se fyziologicky vyskytují u dětí, ve spánku i u dospělých. Záznam jednotlivých svodů EEG je zobrazen na Obrázku 1.1. Obrázek 1.1: Záznam jednotlivých svodů EEG EEG snímáme pomocí kovových elektrod umístěných na povrchu hlavy podle standardizovaného systému 10-20 (elektrody jsou rozmístěny pod úhlem 10 a 20 stupňů). Rozmístění elektrod je na Obrázku 1.2. Experimentálně se používají i jiná rozmístění. 11
Potenciál na elektrodě měříme buď proti jiné elektrodě (bipolární zapojení) nebo proti indiferentní referenční elektrodě (unipolárně). Bipolárně zapojené elektrody se spojují v řadách longitudinálně nebo transverzálně. V současnosti se většinou již používají digitální přístroje s A/D převodníkem a data jsou přímo ukládána na disk počítače, což umožňuje následné kvantitativní zpracování. Obrázek 1.2: Rozmístění elektrod Systém 10-20. Význam značení: F - frontální (přední); Fp - frontopolární (přední kolem pólu); C - centrální (střední); P - parietální (temenní); T - temporální (spánkové); O - okcipitální (týlní); Čísla: sudá - pravá hemisféra; lichá - levá hemisféra 1.2.2 Evokované potenciály Evokovaným potenciálem označujeme elektrickou odpověď vyvolanou v mozkové kůře nadprahovým podnětem při senzorické stimulaci. Je tvořen sledem pozitivních a negativních vln. Podle délky hodnoceného časového úseku latence dělíme ep na: - krátkolatentní: BAEP - kmenové sluchové evokované potenciály, SEP - somatosenzorické ep - střednělatentní: AEP - sluchové ep, VEP - zrakové ep - dlouholatentní: tzv. kognitivní ep Pod pojmem evokovaný potenciál obecně rozumíme změnu akčního mozkového potenciálu, k níž dochází vlivem zevního mozkového podráždění. Vzhledem k tomu, že tento ep má podstatně menší amplitudu, než základní mozková aktivita, je třeba využít techniky umožňující zesílení alespoň 5.10 5 a zprůměrnění. [5] Obrázek 1.3: Soubor zrakových evokovaných odpovědí a dole jejich výsledný průběh evokovaného potenciálu po sumaci a průměrování.[3] K tomuto účelu je potřeba počítač vybavený AD převodníkem. 12
Ten převádí spojitý analogový EEG signál na sled čísel, jejichž hodnota odpovídá amplitudě signálu, s periodou vzorkování například 1 ms. Do paměti se pak ukládají krátké časové úseky (např. 0,5 s), které začínají v okamžiku vyslání stimulačního impulsu. Po změření dostatečného počtu těchto krátkých úseků následuje fáze sumace. Časově si odpovídající vzorky jsou sečteny a následně vyděleny počtem měření. Pokud pokládáme soustavně probíhající základní mozkovou aktivitu za náhodný signál se střední hodnotou rovnou nule (šum), dojde při sečtení dostatečného počtu těchto realizací k vykrácení této složky a měl by nám zůstat dobře patrný průběh evokovaného potenciálu(jako příklad slouží Obrázek 1.3). Jenom pro zajímavost uvedu, že ještě před nasazením číslicové techniky a počítačového zpracování se první detekce ep prováděla tak, že se zobrazoval stále stejný úsek EEG na osciloskopu. Na jeho stínítko byl zaměřen fotoaparát s otevřenou závěrkou. Sumace se prováděla na fotografickém materiálu. Projevila se silnějším zčernáním na daném úseku, kde evokovaný potenciál byl. Tvar ep se takto zjistit nedal, posuzovala se spíše jeho přítomnost a velikost amplitudy. Evokované potenciály vyšetřují funkci nervových drah. Každá z těchto drah je stimulována (drážděna) přiměřeným podnětem, který je stále stejný. Porušení těchto drah v jejich průběhu se projeví zpomalením rychlosti vedení nervového vzruchu, eventuálně snížením amplitudy obvyklých vln, zobrazených tímto vyšetřením. Postižený myelin není schopen převádět vzruch dostatečně rychle. V akutním stavu můžeme několik prvních dnů u těžších poruch hybnosti či zraku vidět i úplný blok vedení, odpovídající neschopnosti čerstvě demyelinizovaného vlákna převést vzruch vůbec (vlna, která má své normální umístění, zmizí přechodně zcela). Zrakové evokované potenciály (VEP) Podle druhu podnětu, který je vyvolal, se liší tvarem a fyziologickým mechanismem vzniku. Stimul tak lze vyvolat například zábleskem. Ten dále může být konstantních parametrů nebo s proměnnou frekvencí, modulací, barvou, jasem apod. Výhodnější pro hodnocení zraku se pak jeví dnes častěji užívaná stimulace vyvolaná strukturovaným podnětem. Tím může být například šachovnicová mřížka, ve které se střídají černá a bílá políčka. Senzorického stimulu zde dosáhneme zaměňováním černých políček za bílé a naopak v přesně stanovených časových intervalech. Podmínkou je dodržování konstantní intenzity, kontrastu a velikosti obrazovky. Stimulace se může provádět mono- i binokulárně. Hodnotí se absolutní latence jednotlivých částí ep, zejména vlna P100 (tj. positivní výchylka cca 100 ms po stimulu), stranové rozdíly a amplitudy. Somatosenzorické evokované potenciály (SEP) Jedná se převážně o elektrické dráždění nervových zakončení nebo příslušných receptorů na horních a dolních končetinách. Provádí se vleže, případně s podanými sedativy. Využívají se pravoúhlé impulzy o délce 0,1-0,2 ms s frekvencí 2 Hz (pro zvláštní případy až 10 Hz). Intenzita impulzu se obvykle rovná trojnásobku prahu citlivosti u sensitivních nervů a u smíšených 3-4 ma nad motorický práh. Zprůměruje se 256-2048 odpovědí. Sluchové evokované potenciály (AEP) Sluchové evokované potenciály jsou projevy mozkové elektrické aktivity, které mají pevný časový vztah k definovaným časovým stimulům. V současné době jsou AEP významnou objektivní metodou, která podává informaci o funkci sluchového systému u subjektů neschopných verbální komunikace (dětská audiologie). Lze také využít pro vyhodnocení 13
účinnosti funkčních protéz a rehabilitace. Protože je moje práce věnována právě tomuto druhu ep, blíže se o nich rozepíši v Kapitole 2. Kognitivní evokované potenciály Zabývá se hodnocením propojení dvou analyzátorů, většinou sluchového a motorického nebo myšlenkového. Nejčastěji posuzuje vlnu P300. U tohoto typu ep je výhodné použít mapování elektrické aktivity mozku se schopností snímat celý povrch lbi.[5] Další typy evokovaných potenciálů Spíše pro zajímavost uvedu dnes jen experimentálně využívané metody. Mezi ně patří např. vyšetření vestibulárních ep, kdy stimulem může být přesně definované rotační zrychlení. Dále je to také chuťový ep, který se pokusně vyšetřuje chemickým nebo elektrickým podrážděním chuťových buněk jazyka.[5] Hodnocení záznamu ep Pří vyšetřování metodou evokovaných potenciálů se v levé polovině obrazovky displeje znázorní výsledný evokovaný potenciál - zprůměrnění ep po 50-100 stimulech získaných v místech umístění všech 16 či více elektrod. Kurzorem se označí určitý časový bod. V pravé polovině obrazovky jsou vyobrazeny mapy s rozložením potenciálů na povrchu hlavy. Pro znázornění změny amplitudy takového ep se využívá pseudobarev. Jestliže pak zobrazím sekvenci těchto map, které představují okamžité hodnoty evokovaného potenciálu při vhodně zvolených odstupech od stimulu, např. po 10 až 40 ms, je na nich pěkně vidět, jak takový evokovaný potenciál putuje. Druh znázornění je samozřejmě přizpůsoben tomu, jaké evokované potenciály jsou zpracovávány - tj. jiný při BAEP a jiný při VEP. Většinou se pracuje interaktivním způsobem, kdy na displeji je uvedeno menu, které umožní volbu zpracováni.[18] Příklad takového zobrazení je na Obrázku 1.4. Obrázek 1.4 : Zobrazení vyšetření sluchových evokovaných potenciálů spolu s mapováním mozkové aktivity [18] Výsledný záznam je tvořen jednotlivými komponentami odpovědí v různých částech mozku (míchy) odpovídajících generátorům daných komponent rozdílných modalit 14
evokovaných potenciálů. Hodnotí se především přítomnost vyvolané odpovědi, její latence, dále pak amplituda a tvar evokované odpovědi. Na Obrázku 1.5 je znázorněn průběh sluchového evokovaného potenciálu, vyznačené jednotlivé výrazné výchylky amplitudy, kde kladné jsou značeny P a záporné N. Získané odpovědi se srovnávají s normativními daty získanými na vzorku zdravé populace. Evokované potenciály slouží k: objektivizaci klinického nálezu, detekci subklinického postižení jednotlivých senzorických systémů, monitorování funkčního stavu vyšetřeného systému v čase. [12] konkrétní využití sluchových evokovaných potenciálů ukazuje Obrázek 1.5, který znázorňuje typický průběh sluchového evokovaného potenciálu zaznamenaný pro účely anesteziologie, kdy se hodnotí latence odpovědi, která s hloubkou anestezie roste. Například vlny Pa a Nb by se měly nalézat v rozmezí do 100 ms od vyslání stimulace. Obrázek 1.5: Hodnocení sluchového evokovaného potenciálu[19] V současné době se ep využívají především v diagnostice následujících onemocnění: demyelinizačních onemocnění (především roztroušené sklerózy mozkomíšní, leukodystrofií) vertebrogenních onemocnění a onemocnění periferních nervů (kořenová postižení) nádorů mozku např. neurinomy akustiku, adenomy hypofýzy) expanzivních procesů nitropáteřních (tumory, krvácení, abscesy) neurotraumatologii diagnostice metabolických onemocnění, intoxikací (ehtylakoholem) záchvatových onemocnění (progresivní myoklonická epilepsie) infekčních onemocnění Guillain-Barré syndrom, neuroborrelióza, menigitidy, AIDS extrapyramidových onemocnění (Parkinsonova nemoc, Huntingtonova chorea, torzní dystonie, myoklonus) neurodegenerativní onemocnění (Friedreichova ataxie, spinocerebelární ataxie, Alzheimerova demence, motor neuron disease, svalová onemocnění) mozkové smrti a další. [12] 15
2 Sluchové evokované potenciály, základy akustiky a audiometrie Mechanická energie akustického podnětu vyvolá odezvu ve vláskových buňkách sluchového systému. Ta se dále šíří nervovými buňkami sluchové dráhy a výsledkem je elektrická aktivita s různou délkou latence. Na povrchu lebky ji lze snímat jako evokované akustické potenciály. Dají se analyzovat pomocí metod klinické neurofyziologie na různých úrovních a je možno zaznamenávat několik druhů AEP podle způsobu stimulace. 2.1 Rozdělení sluchových evokovaných potenciálů Délka latence snímané odpovědi, umístění elektrod a tvar akustického podnětu určuje místo ve sluchové dráze, ze kterého bude evokovaný potenciál snímán. Elektrické odpovědi zaznamenané do 5 ms od stimulace odpovídají evokovaným potenciálům kochley elektrokochleografie ECOG. Měříme je aktivní elektrodou umístěnou v zevním zvukovodu nebo jehlovou elektrodou zavedenou přes bubínek nad oválné okénko. Záznam prvních 10 ms při použití širokopásmového podnětu (click) odpovídá záznamu evokovaných potenciálů z oblasti sluchového nervu a z mozkového kmene kmenové sluchové evokované potenciály BAEP (brainstem AEP). Záznam odpovědí od 10 do 100 ms odpovídá aktivitě podkorových center středně latentní odpovědi MLR (middle latency response). Pomalé odpovědi od 100 do 1000 ms pocházejí z mozkové kůry, tyto dlouho latentní odpovědi nazývané pomalé korové evokované potenciály SAEP (slow AEP). Všechny uvedené vyšetřovací metody sluchu se navzájem doplňují. V praxi se nejčastěji používá vyšetření BAEP, které je jen minimálně ovlivněno vědomím vyšetřované osoby a tak má při určitých typech diagnóz nezastupitelné místo. Pro zjištění kochleárních poruch je často kombinováno s ECOG. Těmito metodami se budu zabývat v následující podkapitole, kde uvedu konkrétní stimulační techniku a dané hodnoty stimulace.[2][3] 2.2 Systém stimulace AEP K vyvolání AEP používáme akustické stimuly, které vznikají převedením elektrického signálu na akustický. Stimulovat můžeme uzavřeným nebo otevřeným systémem. Uzavřený systém využívá sluchátka umístěného přímo na vyšetřované ucho, nebo zvuk přivádíme do ucha 16
polyetylénovou trubičkou. Při použití otevřeného systému se provádí stimulace pomocí reproduktoru. Tímto způsobem je snížen výskyt stimulačních artefaktů, ale stimulace je ovlivněna akustickými vlastnostmi vyšetřovací místnosti. Různé typy stimulačních signálů se liší podle požadavků na frekvenční specificitu odpovědí. Nejčastěji využívaný stimulační zvuk je tzv. click, vyvolaný pravoúhlým elektrickým impulzem. Doba trvání je u BAEP 0,1-0,2 ms, u ECOG do 100 μs. Jeho nevýhodou je nepřesná kalibrace širokopásmového stimulu (nastavení intenzity, polarity, formy vlny a frekvenčního spektra). Kvůli tomu nedává dostatečně přesnou možnost srovnání mezi jednotlivými laboratořemi. Proto je výhodnější použít filtrovaný click, který vzniká z pravoúhlého elektrického impulsu vedeného přes pásmový filtr s definovanou hlavní frekvencí a šířkou filtračního pásma. Tak získáváme na výstupu filtru sérii oscilací o frekvenci, která je shodná s hlavní frekvencí filtru. Tvar signálu má krátký vzestupný průběh a pak exponenciální pokles. Obrázek 2.1: Tvary stimulů používaných k vyvolání AEP: A Pravoúhlý click; B Filtrovaný click; C Tónový pip; D Tónový burst, t1 vzestupný čas, p plató, t2 sestupný čas. [2] Mnohem symetričtější průběh než filtrovaný click nám dává tónový pip. Jedná se o frekvenčně specifický signál generovaný jednou periodou sinusovky o specifické frekvenci v pásmovém filtru centrem na shodné frekvenci, která je požadována pro stimulaci. K vyvolání frekvenčně specifické odpovědi je používán krátký tónový puls s kontrolovaným vývojem nazývaný tónový burst. Skládá se z přesně definovaných časových úseků: vzestupný čas, plató, sestupný čas. Burst krátkého trvání vyvolává kmenové odpovědi s vyšší amplitudou a kratší latencí. Pro stimulaci jsou důležité hlavně první kmity - nejdůležitějším parametrem je tedy vzestupná část. Všechny uvedené tvary stimulů jsou znázorněny na Obrázku 2.1. Dalším parametrem stimulace je volba monaurální a binaurální stimulace podle toho zda posuzujeme funkci každého ucha zvlášť (mon-) nebo celé sluchové dráhy (bin- dnes se téměř nepoužívá). Protože se mechanické vlnění, které dráždí vláskové buňky sluchového systému, může šířit nejen po vzdušném ale i kostním vedení, uslyšíme v druhém uchu (které nestimulujeme) zvuk z buzeného ucha. K monaurální stimulaci je pak třeba využít maskování šumem. O tomto principu se ještě více rozepíši v Kapitole 2.3. Maskovat druhé ucho není samozřejmě třeba u ECOG, protože se odpovědi registrují většinou chirurgicky z oblasti středního ucha. Záznam evokovaných odpovědí ovlivňuje polarita simulace. Podle směru výchylky bazilární membrány při prvním kmitu rozeznáváme tři druhy polarity: rarefrakce (membrána kmitá nejprve vzhůru), kondenzace (membrána kmitá nejprve dolů) a alternační polarita (pohyb membrány není výrazný do žádného směru). Obecně se dává přednost rarefrakční polaritě, protože zvyšuje amplitudu odpovědí, zkracuje latenci a lépe diferencuje jednotlivé komponenty.[2,3] 17
Vyvolané odpovědi, respektive jejich latence, amplituda a tvar vlny jsou funkcí intenzity. Se vzestupem intenzity stimulace se zvyšuje amplituda, jednotlivé vlny se stávají zřetelnější a latence se zkracuje. Hodnoty intenzity zvuku volíme podle daných audiometrických parametrů stanovených pro lidský sluch na základě měření u zdravé části populace. Více v Kapitole 2.4. Posledním z významných parametrů stimulace je frekvence. V praxi se nejčastěji používá 1-20 impulsů za sekundu (1-20 Hz). Při dalším zvyšování frekvence dochází k prodlužování latence a zmenšování amplitudy.[2] Naopak při nižší frekvenci než 1 stimul za sekundu dochází k efektu předvídání stimulace a potenciál změřeného signálu se evokuje ještě před příchodem stimulačního impulsu viz Obrázek 2.2. Přerušovaná čára v obrázku značí dobu po vyslání stimulačního impulsu, kdy začne narůstat amplituda evokovaného potenciálu, což znamená, že vyšetřovaná osoba je schopná následující impuls očekávat => očekávaný potenciál. Proto, je vhodné použít vyšší frekvenci stimulace, případně navíc nepoužívat pravidelnou periodu stimulačních impulsů. [19] Obrázek 2.2: Sluchové evokované potenciály pro různou frekvenci stimulace[19] Při snímání je elektroda umístěna na vertexu (Cz), referenční na ušním lalůčku nebo na mastoidálním výběžku, ipsilaterálně. Zprůměrňuje 1000-2000 průběhů. Vyhodnocují se latence jednotlivých vln a stranové rozdíly. 18
2.3 Akustické principy a lidský sluch K návrhu akustického generátoru je třeba si představit některé zákonitosti spojené se zvukem a jeho vnímání člověkem. Protože výsledkem mé práce je zařízení určené pro lékařskou aplikaci, na kterou jsou kladeny vysoké bezpečnostní požadavky, je důležité zohlednit i problematiku ochrany lidského sluchu. Zvuk je každé podélné (v pevných látkách případně také příčné) mechanické vlnění v látkovém prostředí, které je schopno vyvolat v lidském uchu sluchový vjem. V elektroakustice se jako zvukový signál označují i elektrické kmity odpovídající kmitům mechanickým (např. sinusovka). Vnímání zvuku probíhá v těchto krocích: ušní bubínek zachytává oscilace tlaku zvukové vlny vstupující do ucha a transformuje je do mechanického kmitání, které je přenášeno pomocí kůstek středního ucha do vnitřního ucha, ve kterém je kmitání rozdělováno podle frekvenčních oblastí, zachytáváno receptorovými buňkami a transformováno na nervové signály. Sluchový nerv přenáší nervové signály do mozku, kde jsou zpracovány a zobrazeny v určité oblasti mozkové kůry jako vnitřní představy sluchového charakteru.[8] Vjem zvukového signálu je souhrnem subjektivních veličin - výška tónu, hlasitost a barva zvuku, které jsou přímým obrazem objektivních fyzikálních veličin: frekvence, amplitudy, intenzity a časového průběhu zvukového signálu (zkreslení podílu harmonických). Zvuky, které u posluchače vyvolají sluchový vjem lze zařadit do tzv. sluchového pole to je znázorněno na Obrázku 2.3. Frekvenční rozsah ucha se nejčastěji uvádí v rozsahu 20 Hz-20 khz, (případně Obrázek 2.3: Frekvenční závislost lidského sluchu. 16 Hz-16 khz). Lidské ucho vnímá úroveň zvukového signálu logaritmicky. To znamená, že dvojnásobný přírůstek výkonu nevnímá jako dvojnásobný, ale jako přírůstek odpovídající přírůstku logaritmické funkce. Ve skutečnosti je tedy uvedený rozdíl mírně nad hranicí rozpoznatelnosti pro lidský sluch. Tyto skutečnosti vedly k zavedení jednotky db (decibel). Pokud jde o akustické vlnění, je to poměr naměřeného akustického tlaku p[pa] k prahu slyšitelnosti p 0 = 2 10 5 Pa viz rovnice (1) pro výpočet hladiny akustického tlaku: 20, ; ; (1) Ovšem člověk nevnímá stejný akustický tlak při různých kmitočtech se stejnou hlasitostí. Experimentálně byly zjištěny tzv. psychoakustické křivky stejné hlasitosti. Na nich jsou vyznačeny hladiny subjektivně stejné hlasitosti v závislosti na frekvenci. Frekvenční citlivost ucha se tedy mění i se změnou hlasitosti. Nejcitlivější se jeví okolo 1-3 khz, směrem k okrajům spektra klesá. Vlastnosti lidského sluchu byly zkoumány až k úrovni akustického tlaku 180 db. Dle různých zdrojů je hranice 120-130 db považována za práh bolesti, 19
nad hranici 130 db dochází ke změnám ve vnitřním uchu a nad hranici 170 db již dochází k poškození bubínku a sluchových kůstek. Vlivem hlučného prostředí dochází k přechodnému zvýšení prahu sluchu, který se po několika hodinách nebo dnech pobytu mimo hluk vrací k normálním hodnotám. Opakovaným nebo dlouhodobým nefyziologickým drážděním dochází k trvalému zvýšení prahu. Jak už bylo řečeno, zdrojem zvuku mohou být i elektronické či mechanické kmity. Kmit je změna nějaké veličiny (polohy, tlaku) z výchozího stavu (rovnovážné polohy) do místa největší výchylky a odtud opačným směrem do místa výchylky opačné a pak zpět do výchozího bodu. Průběh této změny může být periodický (znovu a znovu opakovaný týmž způsobem) nebo neperiodický. Zvuky periodické vnímá náš sluch jako tóny, zvuky neperiodické jako šumy. Tóny mohou být čisté nebo složené. Charakteristikou tónů je určitá výška, jejíž fyzikální paralelou je frekvence. Při vysvětlení funkce sluchového orgánu a základních jevů v oblasti vnímání výšky se většinou pracuje s jednoduchými (sinusovými) tóny, jejichž časový průběh je dán sinusoidou a je vytvářen jednoduchým (sinusovým) kmitáním. Znamená to, že se skládá jen z jedné frekvenční složky, která odpovídá jeho vnímané výšce. Ovšem v přírodě neexistují zvuky, které by měly čistě sinusový charakter. Skutečné zvuky mají vždy větší nebo menší nepravidelnosti ve frekvenci nebo odchylky ve skladbě. Jsou-li to odchylky malé, ucho je nepostřehne; jsou-li značnější, vnímá je jako tón smíšený se šumem. Mezi tónem a šumem mohou být plynulé přechody. Kritériem pro rozlišení je kvalita vjemu. Tónem nazýváme zvuk, u kterého můžeme určit sluchem výšku a zařadit jej do hudební stupnice. Šum nelze takto zařadit. Najdeme také zvuky, u kterých můžeme určit výšku tónu jen přibližně v určitých mezích; tyto zvuky představují přechod mezi tóny a šumy.[22] [13] Při současném vnímání několika různých zvukových signálů delších než 200 ms může jeden signál potlačovat slyšitelnost jiného signálu, i když jejich kmitočty jsou různé. Tomuto jevu říkáme maskování, viz Obrázek 2.4. Hodnota rozdílu hlasitostí závisí na charakteru maskovacího a maskovaného zvuku (zpravidla maskovací zvuk bývá hlasitější, nežli maskovaný). Ovšem vezmeme-li jako maskovaný zvuk například sinusový tón a budeme se jej pokoušet maskovat šumem, zjistíme, že sinusový tón již bude maskován, pokud intenzita šumu bude o cca 16 db nižší. Při frekvencích nad 1 khz tento rozdíl ještě narůstá. To platí i v případě, že absolutní intenzita šumu bude pod prahem slyšitelnosti (při zachování vzájemného rozdílu). Takže zvuk, který sám o sobě neslyšíme, může způsobovat maskování jinak slyšitelného zvuku. Obrázek 2.4: Maskování šumem: maskovací zvuk nebo šum zvyšuje práh slyšitelnosti v lokální oblasti (kritickém kmitočtovém pásmu) a maskuje sousední slabší zvuk. [6] Křivky udávající hladinu akustického tlaku, od které je slyšitelnost zvuku T sinusového průběhu o určité akustické hladině maskována silnějším úzkopásmovým šumem určité hladiny, se nazývají prahy současné slyšitelnosti. Průběhy prahů slyšitelnosti závisí na kmitočtu, hladině akustického tlaku a spektrálním složení zvuku, Obrázek 2.5. [6][13] 20
Obrázek 2.5: Křivky současné slyšitelnosti a) při maskování jednotlivých kmitočtů úzkopásmovým šumem s šířkou pásma 160 Hz, konstantní hladinou a třemi středními kmitočty. b) Závislost maskování jednotlivých kmitočtů na amplitudě maskujícího úzkopásmového šumu [6] Dalším projevem maskování je postmaskovací efekt. Ten spočívá v setrvačnosti lidského ucha, přizpůsobení citlivosti po odeznění nějaké dominantní dynamické špičky. V praxi to znamená, že po odeznění nějakého zvuku je ucho hluché ke zvukům, které jsou tišší, resp. by byly maskovány, pokud by zněly současně s maskovacím zvukem, i když následují až po jeho odeznění. V praxi se to projeví postupným poklesem hladiny maskování (hladiny, pod kterou budou zvuky maskovány) v závislosti na čase po odeznění maskovacího zvuku. Tato hladina začíná klesat přibližně po 5 ms po odeznění maskovacího zvuku a úplné odeznění postmaskovacího efektu nastává po uplynutí doby větší než cca 200 ms. Tyto časové konstanty prakticky nezávisí na hladině maskovacího zvuku. Podobně, i když v mnohem menší míře, mohou být maskovány slabší zvuky, které jsou následovány nějakou dynamickou špičkou - premasking. Akustickým jevem souvisejícím s dynamickými vlastnostmi ucha je i tzv. směšování, resp. schopnost od sebe oddělit dva po sobě následující zvuky. Touto hranicí je doba přibližně 60 ms. Pokud je rozdíl dvou přicházejících zvuku (například zvuk přímý a odražený) menší a rozdíl hlasitostí je takový, že zpožděný zvuk není maskován, ucho je od sebe nedokáže oddělit. Vnímá je jako jeden zvuk, čímž může dojít ke snížení až úplné ztrátě srozumitelnosti. Tyto parametry časového maskování dvou následujících tónů je třeba zohlednit při volbě periody vysílaných zvukových impulsů.[8] 2.4 Pojmy z audiometrie Tónová audiometrie vyšetřuje sluchový práh vzdušného a kostního vedení pro čisté sinusové tóny. Vzdušné vedení se vyšetřuje sluchátky každé ucho zvlášť na sedmi základních frekvencích (125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 khz, 2 khz, 4 khz a 8 khz). Stimulační intenzitu evokovaného potenciálu můžeme vyjádřit následujícími způsoby: SPL (Sound Pressure Level) je vyjádření intenzity pomocí referenční hodnoty akustického tlaku L = 20 10-6 Pa (prahová hodnota sluchu u zdravé populace na 1 khz). Jednotkou je db. 0 db odpovídá tedy prahu slyšitelnosti na 1 khz u zdravého jedince. Využívá se k zápisu absolutního audiogramu špatná přehlednost, menší použití v praxi. HL (Hearing Level) udává o kolik db má konkrétní pacient na jednotlivých frekvencích horší citlivost vzdušného nebo kostního vedení, než průměrná zdravá populace do 30 let. Použití k zápisu ztrátového audiogramu častější použití v praxi. [4] 21
2.4.1 Aplikace maskování šumem při vyšetření Hladina prahu sluchu při audiometrickém vyšetření může být zjišťována vzdušným nebo kostním vedením. Při vyšetřování vzdušného vedení je signál přiveden do sluchátek, při vyšetřování prahu kostního vedení je sluch vyšetřován kostním vibrátorem umístěným na mastoidu nebo čele pacienta. Přesto při vyšetření vzdušného vedení zvukem ze sluchátek stimulujeme i kostní vedení. Potom dochází k tomu, že při vyšetření jen jednoho ucha zvukem z jednoho sluchátka, stimulujeme kostním vedením po obvodu lebky i druhé nevyšetřované ucho. To je pro nás nepříznivý jev a proto při vyšetření aplikujeme maskování šumem, které bylo vysvětleno v Kapitole 2.3. Přestože v mé práci je maskování použito pro měření sluchových evokovaných potenciálu, které se od klasické tónové audiometrie mírně liší hlavně v tom, že nevyžaduje tak velkou spolupráci pacienta, jsou základní předpoklady vyšetření shodné. Nyní tedy popíši maskování šumem aplikované při audiometrickém vyšetření. Při měření je maskování prováděno vždy kontralaterálním sluchátkem - bude vždy umístěno na nevyšetřované straně. Je vhodné dát pacientovi krátké instrukce jako: V jednom uchu uslyšíte šum. Vy ale budete dávat pozor, až uslyšíte tón. Při měření ep nemusí pacient dávat pozor, až uslyší tón, protože slyšitelnost vyhodnocujeme z EEG signálu. Přesto pro urychlení můžeme vyhodnotit subjektivní slyšitelnost podle hodnocení pacienta.[20] Použití maskování: Najdeme nemaskovaný práh vzdušného vedení pro obě uši a následně vždy pro opačné ucho práh kostního vedení. Po nasazení sluchátek zvolíme signál např. do pravého ucha. V tónovém kanálu nastavíme intenzitu nemaskovaného prahu měřicího tónu. Zvyšujeme maskování po 10 db a necháme vyšetřovaného určit, kdy poprvé uslyší maskovací šum (maskovací šum bude účinný pouze tehdy, když bude slyšen). Když vyšetřovaný ukazuje, že slyší šum, měření začíná. Začneme tím, že nastavíme hodnotu tónu nemaskovaného prahu vyšetřovaného ucha a maskování na hodnotu slyšitelnosti změřenou v předchozím kroku. Pustíme měřicí tón. Když ho vyšetřovaný uslyší (změříme ep), zvýšíme hodnotu maskování o 10 db a opět pustíme tón. Je-li maskování připojeno k opačné straně než tón, je tón snížen o ztráty způsobené přenosem na druhé ucho (asi 50 db při vzdušném vedení a 5-10 db při kostním vedení). Skutečný útlum tónu z měřeného do maskovaného ucha je tedy závislý na typu testu: vzdušné nebo kostní vedení (stejně jako na měřeném kmitočtu). Takže tón o HL 80 db vyslaný do jednoho ucha je snížen o 50 db při přenosu na druhé ucho kostním vedením. To znamená, že zůstane podnět na úrovni 30 db, což je na některých frekvencích dokonce pod hranicí slyšitelnosti (při 100 Hz je práh slyšitelnosti kolem 50 db). Přesto na frekvencích od 500 Hz do 10 khz vyvolá HL 30 db nechtěný sluchový ep i pro druhé ucho. Z uvedeného principu maskování širokopásmovým šumem vyplývá, že úroveň šumu může být asi o 16 db nižší než je maskovaný zvuk (při 1 khz). Proto není potřeba vysoká hlasitost šumu pro vyšetření vzdušného vedení. Pro zajímavost jen uvedu, že při vyšetření kostního vedení je přeslech utlumen pouze o 5 až 10 db, obě vyšetřované uši budou tedy slyšet tón o přibližně stejné hlasitosti. Z toho důvodu je potřeba při vyšetření kostního vedení vždy maskovat šumem o mnohem vyšší hlasitosti než u vedení vzdušného. Rozdíl mezi prahem pro vzdušné a kostní vedení se projevuje u převodních nedoslýchavostí.[20] 22
3 Návrh akustického generátoru Akustický generátor pro buzení evokovaných potenciálů má za úkol generovat zvukové impulsy s proměnnými parametry. Podle zadání jsou těmito nastavitelnými parametry frekvence tónu a doba trvání impulsu. Kromě vysílání jednoduchých impulsů má navíc generátor umožňovat vysílat sérii dvou střídajících se impulsů o různé frekvenci tónů. Aby byla možnost posoudit každé ucho zvlášť, využijeme funkci maskování šumem, kterou jsem rozebrala v teoretické části. Aby mohly být výsledky zpracování evokovaných potenciálů dále zpracovatelné, je navíc třeba zaznamenávat přesně dobu spuštění jednotlivých impulsů tedy získávat značkovací impulsy počítačem pro měření evokovaných potenciálů (EEG). 3.1 Blokové schéma Uvedené blokové schéma (Obrázek 3.1) znázorňuje principielní funkci navrhovaného obvodu. Schéma obsahuje jak funkční elektronické bloky, tak směr komunikace mezi nimi a řídící manuální i číslicové signály z PC. Přímo pod obrázkem jsou vysvětlivky ke značení prvků a bloků schématu. Rozboru činnosti obvodu je věnována následující podkapitola. Funkce jednotlivých bloků a jejich návrh je podrobně popsán v Kapitole 3.2. Obrázek 3.1: Blokové schéma akustického generátoru Vysvětlivky značení: A úprava výstupních úrovní z generátorů signálů. Σ součtový člen = sumátor. SW (1 4) switch přepínače kanálů. MKO monostabilní klopný obvod. PC osobní počítač. Čárkované šipky naznačují regulaci jednotlivých parametrů ať už manuální či řízenou počítačem. Velký šedý blok dohromady označuje všechny bloky tvořící generátor zvukových impulsů. 23
3.1.1 Princip činnosti Zvukové impulsy vznikají spínáním sinusového signálu. Sinusový signál je generován jedním nebo dvěma bloky sinusových generátorů, podle toho jestli chceme vysílat sérii jednoduchých impulsů či přepínat mezi dvěma různými zvukovými impulsy. Oba generátory mají zvlášť nastavitelnou frekvenci sinusovky frekvenci tónu v rozmezí 100 Hz až 5 khz. Monostabilní klopné obvody tvoří řídící signál pro klíčování sinusovky. Každý MKO má možnost nastavení délky sepnutí tedy doby trvání impulsu. Klíčovací obvod tedy spíná podle obdélníkového signálu z MKO sinusový průběh pokud možno tak, aby nedocházelo k jeho zkreslení. Spouštění MKO je uskutečněno řídícími signály z PC, který slouží i pro záznam EEG. Spouštěcí signál může být tedy v PC dále využit jako série značkovacích impulsů pro určení začátku průměrování EEG. Výstupy z obou klíčovacích obvodů jsou po patřičném upravení úrovní přivedeny na blok sumace, kde se vytvoří jedna série zvukových impulsů daná řídícími signály z PC. Druhým zdrojem zvuku je generátor šumu. Jako zdroj maskovacího šumu je zde použita Zenerova dioda. Blok šumového generátoru navíc obsahuje i frekvenční filtr upravující výstupní signál na širokospektrální růžový šum pro slyšitelné pásmo 20 Hz až 20 khz. K patřičné úpravě výstupních signálů ze zvukových (šumových) generátorů patří i omezení dynamiky signálu pomocí omezovače. Obvod zde musí být nastaven tak, aby se na výstup zapojených sluchátek nemohl dostat zvuk o úrovni nebezpečné pro lidský sluch. S patřičnou rezervou jsem tuto úroveň nastavila na 80 db (podle zadání). Skupina čtyř CMOS spínačů slouží k přepínání kanálů tak, aby byl zvuk přiváděn pouze do levého či pravého sluchátka, do obou sluchátek zároveň nebo do žádného. Využití elektronických přepínačů je zde kvůli odstranění nechtěných kliksů. Nakonec je pro oba zvolené výstupní kanály zesílena hlasitost koncovými nízkofrekvenčními zesilovači. Hlasitost je spolu s frekvencí tónu, délkou zvukových impulsů a volbou výstupních kanálů řízena mechanicky na ovládacím panelu. 3.2 Rozbor funkce jednotlivých bloků 3.2.1 Generátory sinusového průběhu Základem generátoru zvukových impulsů je sinusový signál, který modulujeme obdélníkovým průběhem. V mé diplomové práci vytvářím sinusový průběh pomocí integrovaného obvodu generátoru funkcí. To ovšem není jediný způsob. Dnes se asi častěji pro generování tónů využívá vhodně naprogramovaný mikroprocesor. Zvuk se pak např. jako tabulka vzorků amplitudy sinusového signálů ukládá do tabulky do paměti. Poté se jednotlivé hodnoty načítají s nastavitelnou periodou a na DA převodníku se transformují na napětí. Další možností je hodnoty sinusového průběhu přímo mikroprocesorem vypočítávat a jejich analogovou formu získávat například pulzně šířkovou modulací, která bývá součástí mikroprocesorů. Integrovaný funkční generátor je obvod, který je schopen s minimem vnějších pasivních součástek a napájením generovat různé typy průběhů jako je sinusový, 24
pravoúhlý a trojúhelníkový. Umožňují nastavovat nejen amplitudu a frekvenci výstupního signálu, ale i symetrii v průběhu periody (střídu) a modulovat amplitudu a kmitočet napětím přiváděným na pomocný vstup. Samotný IO pak většinou neobsahuje samostatné oscilátory pro každý typ průběhu. Například z jednoduchého astabilního multivibrátoru získáme obdélníkový průběh, ten převedeme integrátorem na trojúhelníkový, ze kterého po přivedení na diodový funkční měnič získáme sinusový signál. Samozřejmě princip funkce a vlastnosti jednotlivých typů obvodů se liší a tak se dále zaměříme pouze na IO XR-2206, který je využívaný v této práci. Funkční generátor XR-2206 Princip funkce obvodu ukazuje blokové schéma na Obrázku 3.3. Tvoří jej čtyři funkční bloky a to napětím řízený oscilátor VCO (voltage-controlled oscillator), analogová násobička, sinusový tvarovač, oddělovací zesilovač a proudové spínače. Výstupní kmitočet VCO je úměrný kapacitě kondenzátoru C a vstupním proudům definovaným časovacími odpory ve větvích R1 a R2. Který z nich se právě uplatní, určuje vstup FSK (frequency shift keying klíčování kmitočtovým posuvem) prostřednictvím proudových spínačů. Je-li tento vývod naprázdno, případně napětí na něm 2 V, je aktivní rezistor R1, je-li toto napětí 1 V je aktivní R2. To usnadňuje jednu z aplikací, kdy je dvojková informace vyjádřena dvěma rozdílnými kmitočty. [9] Kmitočet je dán vztahem f = 1 ; 1 2 (2) R C Vhodné hodnoty R pro požadovaný kmitočtový rozsah lze odvodit z Obrázku 3.2. Teplotně stabilní funkci lze očekávat pro 4 kω < R < 200 kω. Doporučené hodnoty kapacity C leží v intervalu od 1 000 pf do 100 μf. Obrázek 3.3: Blokové funkční schéma obvodu XR-2066 Obrázek 3.2: Diagram pro volbu odporu časovacího rezistoru Základní vlastnosti pracovní kmitočet od 0,01 Hz do typického maxima 1 MHz teplotní stabilita kmitočtu 20 ppm/ C nízké zkreslení sinusového průběhu s typickým činitelem zkreslení (THD - total harmonic distortion) 2,5 %, po nastavení 0,5 % rozsah kmitočtového rozmítání 2000:1 malá závislost amplitudy na napájecím napětí 0,01 %/V lineární amplitudová modulace 25
klíčování kmitočtovým posuvem řízené TTL signálem střída nastavitelná mezi 1 až 99 % napájecí napětí 10 až 26 V (±5 až ±13 V), typický napájecí proud 12 ma Zapojení generátoru sinusového průběhu s externím nastavením Na Obrázku 3.5 je finální zapojení, které si v následujícím textu rozebereme. Protože nechceme klíčovat mezi dvěma kmitočty, ale chceme plynule měnit frekvenci (od 100 Hz do 5 khz) necháme vývod 9 (FSK) nezapojen (naprázdno). Tím zvolíme R1(vývod 7) jako řídící větev pro změnu kmitočtu. Vhodnou volbou proměnného odporu potenciometru P1, se nastavuje kmitočet, který závisí rovněž na volbě kondenzátoru zapojeného mezi vývody 5 a 6. - volba hodnot součástek a výpočet kmitočtu podle vztahu (2):, Ω, Ω Pro účely své práce jsem zvolila součástky: kondenzátor C = 47 nf, do série zapojený potenciometr o hodnotě 250 kω a pevný rezistor s odporem 3,9 kω. Pevný rezistor je zde jako minimální hodnota odporu zvolená kvůli lepší teplotní stabilitě (viz. výše). Zvolený kapacitor je vybrán z řady tak, aby odpovídal požadovanému frekvenčnímu pásmu i doporučenému katalogovému rozsahu hodnot. Vypočtený rozsah kmitočtů je zvolen mírně vyšší (na obě strany), než je požadováno v zadání práce, kvůli rezervě a přesnosti součástek. [9][25] 84 5450 Obrázek 3.4: Amplituda výstupního napětí v závislosti na odporu ve vývodu 3 Obrázek 3.5: Zapojení generátoru sinusového průběhu s externím nastavením 26